New generation biofertilizers for improved nitrogen management, sustainable food production and low greenhouse gas emissions

Bioteknologi for reduksjon av lystgassutslipp (N2O) fra landbruket. Prosjektet har fulgt to spor for å utvikle bioteknologi som effektivt reduserer utslippet av N2O fra landbruksjord. Det ene er å bruke nitrifikasjons-inhibitorer (NI), stoffer som selektivt hemmer ammonium-oksidasjonen i jord. Det andre er å dyrke N2O-reduserende bakterier i organisk avfall fra biogass-produksjon (digestater) før dette brukes som gjødsel/jordforbedringsmiddel. Nitrifikasjons-inhibitorer (NI): Sammen med kinesiske kolleger har vi i likhet med andre forskningsgrupper konstatert at NI reduserer utslippet av N2O, men vi har tatt denne forskningen lenger ved å undersøke virkningsmekanismer og i hvilken grad effekten avhenger av jordtype. Vi finne at DMPP (3,4-Dimethylpyrazone) som er en lovende NI, har økende effekt med økende pH i jord, hvilket er i god overenstemmelse med nylig etablert konsensus at DMPP selektivt hemmer ammonium oksiderende bakterier (AOB), men ikke AOA (AOA dominerer i økende grad med synkende pH). Når vi analyserer resultatene med en slik modell (selektiv hemming av AOB) finner vi at konsentrasjon som gir 50% hemming er ganske lik for samtlige jordarter (0.3-0.6 mg DMPP pr L). Det er velkjent at AOB produserer mer N2O enn ammoniumoksiderende arker, og våre målinger av N2O produksjon ved ulike DMPP-konsentrasjoner viser nettopp dette: Produkt-forholdet N2O/NO3 faller dramatisk med økende DMPP-konsentrasjon. DMPP kvalifiserer derfor som et perfekt middel for å senke N2O-produksjon fra nitrifikasjon, selv om effekten er moderat (<10% reduksjon av årlig utslipp). Hvorvidt dette kan implementeres som et tiltak i stor skala er et åpent spørsmål, fordi vi kan forvente legitim skepsis mot å bruke "gift" på landbruksjord. Det andre sporet er mer lovende; Bakterier som er sterke N2O-sluk kalles NRB (N2O-Reduserende Bakterier). NRB’s evne til å redusere N2O beror på genregulatoriske egenskaper som gjør at enzymet som reduserer N2O (Nos) uttrykkes sterkere enn enzymene som produserer N2O (Nar, Nir Nor). Men en sterkere NRB variant er bakterier som mangler genene for Nar og Nir, for disse er ute av stand til å produsere N2O. For å finne og isolere brukbare NRB har vi brukt anriknings-kultivering og en rekke molekylære teknikker for å få innsikt i metabolismen under anrikning, hvilke organismer som vokser, deres denitrifikasjonsgener, og hvilke av disse som uttrykker under anrikningen. I tidlig fase viste vi at det er mulig å isolere NRB, men isolatene var langt fra ideelle: 1) de var strømlinjeformet for vekst i levende digestat (utnytter et smalt spekter av karbonkilder produsert ), og dermed i liten grad i stand til å overleve i jord. 2) samtlige var utstyrt med et komplett sett denitrifikasjon-gener, slik at de både produserer og reduserer N2O. Vi utviklet derfor en ny anrikningsstrategi for målrettet søk etter mer effektive NRB, og dette har resultert i et gjennombrudd: vi har funnet NRB som 1) mangler genene nar/nir, og som dermed er et netto N2O-sluk under alle omstendigheter 2) vokser raskt i digestat, og 3) utnytter et bredt spekter av C-kilder og overlever brukbart i jord. Oppfølgende anrikninger har gitt oss et bredt spekter av lovende NRB isolater som vokser i ulike typer organisk avfall. Vi har testet teknologien i feltforsøk, og finner at NRB i digestat reduserer lystgass-utslippet med 50-95%, avhengig av jordtypen. Vi finner at våre NRB-stammer også kan vokse i halm, hvilket åpner for anvendelse av teknologien også på gårdsbruk uten husdyr. Nye prosjekter er igangsatt, og spinnoff-selskap vil etableres for å fremme teknologien både nasjonalt og internasjonalt.

Teknologien vi har utviklet vil med enkle grep redusere emisjon av lystgass fra landbruksjord, og dermed redusere klimapådrivet fra matproduksjon. Vi forventer at den vil tas i bruk, og vi vil drive dette frem ved å ta teknologien til et høyere TRL-nivå, og etablere et selskap som skal promovere dette nasjonalt og internasjonalt. Vi forventer hindringer: på tross av at kostnadene forventes å være moderate må de dekkes på en eller annen måte. I og med at landbruket ikke kan selge reduserte utslipp på GHG kvotemarkedet må det søkas andre policy instrumenter.

Anaerobic digestion (AD) will become the standard way of treating sewage sludge, urban organic wastes and animal manure, both in Norway and China, and the digestates are increasingly used to fertilize farmland. One important motivation for these huge investments in AD-technology is to reduce climate forcing by eliminating methane emission from storage and to replace fossil fuel with biogas. Here we propose to add a new dimension to the climate performance of AD: by growing aggressively N2O reducing bacteria (ANB) in the digestates, we can reduce the N2O emission which is otherwise induced by the fertilization with the digestate. We will search for biodigestate-competent ANB that also grow/survive in soil, thus securing a more long lasting reduction of the N2O emission from farmland. Finally, we will explore if retardation of nitrification by modest doses of nitrification inhibitors can reduce the aerobic N2O emission caused by ammonia oxidation. We have recently identified several types of bacteria that can potentially act as strong N2O sinks, either because their only denitrification gene is the one coding for N2O reductase (nosZ), or because they express nosZ more than the other denitrification genes. A primary challenge will be to enrich such organisms in the digestates. We will use either digestates or soils as initial inoculum and select for ANB by providing a suitable electron acceptor. Metagenomics and proteomics will be used to track and identify the dominating organisms in the enrichment, and to guide attempts to isolate ANBs. Microcosms will be used to test the effects of ANB on N2O kinetics in soils, and to test the effects of nitrification inhibitors. Upscaling to field experiments will be done by cultivation in pilot plants, and possible implementations in existing AD systems will be explored in collaboration with AD industries that are associated with the project.